基于VB的柴油機(jī)SCR監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 川

(濱州學(xué)院機(jī)電工程系，山東濱州 256600)

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基于VB的柴油機(jī)SCR監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 川

(濱州學(xué)院機(jī)電工程系，山東濱州 256600)

為了滿(mǎn)足SCR控制系統(tǒng)匹配和標(biāo)定的需求，基于VB設(shè)計(jì)了柴油機(jī)SCR監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包含上位機(jī)和下位機(jī)2部分。下位機(jī)完成SCR控制器硬件開(kāi)發(fā)，電路設(shè)計(jì)充分考慮電磁兼容及干擾問(wèn)題，提高了工作時(shí)的穩(wěn)定性。上位機(jī)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了串口通信、參數(shù)圖形化顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等主要功能，設(shè)計(jì)靈活，通用性強(qiáng)。監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面操作簡(jiǎn)單，規(guī)范實(shí)用。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，柴油機(jī)SCR監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可以滿(mǎn)足基本的開(kāi)發(fā)要求。

柴油機(jī)；SCR；硬件設(shè)計(jì)；監(jiān)控系統(tǒng)；VB

0 引言

面對(duì)日益嚴(yán)格的法規(guī)要求，如何有效降低汽車(chē)污染物排放量已成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。選擇性催化還原 (Selective Catalytic Reduction，SCR)是一種降低柴油機(jī)NOx排放的后處理技術(shù)，因其具有穩(wěn)定性強(qiáng)、燃油經(jīng)濟(jì)性好和技術(shù)儲(chǔ)備充足等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在柴油機(jī)上。SCR的工作過(guò)程是：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，通過(guò)安裝在排氣管中的噴嘴向SCR催化器上游噴入一定量的還原劑(通常為濃度32.5%的尿素溶液)，在催化劑的作用下，廢氣中的NOx被尿素溶液水解出的NH3還原成N2和水，從而降低NOx的排放，并且要求未反應(yīng)的NH3逃逸量要低于法規(guī)限值[1]。因此，對(duì)于SCR技術(shù)，既要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排放物中NOx的凈化，同時(shí)又不能使過(guò)多的NH3排入大氣，造成二次污染，整個(gè)控制過(guò)程非常復(fù)雜。而SCR控制參數(shù)與系統(tǒng)的匹配程度直接決定了排放后處理的效果，因此需要進(jìn)行試驗(yàn)研究[2]。

VB是一種面向?qū)ο蟮目梢暬呒?jí)語(yǔ)言編程系統(tǒng)，因其開(kāi)發(fā)周期短、集成度高、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛用于PC控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[3]。本文基于VB開(kāi)發(fā)的SCR監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和SCR控制系統(tǒng)主要參數(shù)的顯示和保存，并能通過(guò)實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，觀(guān)察參數(shù)變化規(guī)律，還可在線(xiàn)調(diào)整系統(tǒng)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制量與目標(biāo)量的合理匹配[4]。

1 柴油機(jī)SCR監(jiān)控系統(tǒng)

柴油機(jī)SCR監(jiān)控系統(tǒng)包含上位機(jī)與下位機(jī)2部分，下位機(jī)是SCR控制器，設(shè)計(jì)有微處理器、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、通信等電路模塊，可以實(shí)現(xiàn)控制邏輯計(jì)算、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)、傳感器信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳遞等功能[5]。上位機(jī)是基于VB開(kāi)發(fā)的SCR系統(tǒng)監(jiān)控軟件，其良好的人機(jī)交互界面，具有參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示、記錄保存等功能[6]。

2 下位機(jī)

SCR控制器選用16位微處理器MC9S12XDP512作為主控芯片，片內(nèi)包含2路串行通信口、8個(gè)高時(shí)速的A/D轉(zhuǎn)換通道、8個(gè)PWM脈寬調(diào)制通道以及精準(zhǔn)的內(nèi)部定時(shí)中斷模塊，同時(shí)還集成有大量用于開(kāi)關(guān)量控制的I/O端口，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需求[7]。根據(jù)系統(tǒng)工作需要，控制器還設(shè)計(jì)有電源轉(zhuǎn)換、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)、通信等電路模塊。

為了保證控制器的工作可靠性及穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了電路間的電磁兼容性及干擾性。驅(qū)動(dòng)電路等大電流線(xiàn)路上都設(shè)計(jì)有可熔斷保險(xiǎn)絲，對(duì)電路起到保護(hù)作用，并在熔斷后可自行恢復(fù)，使用方便。A/D信號(hào)采集電路中加入RC濾波，以減少高頻信號(hào)的干擾，提高測(cè)量精度。印制電路板在布線(xiàn)時(shí)，根據(jù)電流的大小選擇導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)短、粗細(xì)及間距，降低信號(hào)間的相互影響。同時(shí)采用單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地相結(jié)合的方式，數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)分開(kāi)接地，確保各電路正常工作。使用的控制芯片都經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，性能穩(wěn)定可靠，且具有自我保護(hù)和錯(cuò)誤診斷功能[8]。

2.1 電源轉(zhuǎn)換模塊

電源轉(zhuǎn)換模塊將蓄電池24 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓輸出，為控制器各電路供電。由于蓄電池電壓會(huì)隨用電設(shè)備數(shù)量產(chǎn)生一定波動(dòng)，因此電源轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)具有較高的耐壓值和一定的電壓輸入范圍。此外，為了滿(mǎn)足電機(jī)和噴嘴等執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)要求，還要使其具有一定的驅(qū)動(dòng)能力。為此，電源轉(zhuǎn)換模塊選用LM2576-5開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓芯片，其最高耐壓值為40 V，可提供3 A的驅(qū)動(dòng)電流，輸出電壓偏差為±4%，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

為了減小大電流的驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)對(duì)其他電路的電壓干擾，本模塊設(shè)計(jì)2路獨(dú)立的轉(zhuǎn)換電路。將驅(qū)動(dòng)電路與其他電路分開(kāi)供電，增加電路工作時(shí)的穩(wěn)定性。

2.2 執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)模塊

執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)模塊包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)和噴嘴驅(qū)動(dòng)2部分電路。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路將2片BTS7960芯片并聯(lián)構(gòu)成全橋驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)尿素的抽取和排空。

BTS7960芯片由2個(gè)MOS管構(gòu)成，最大驅(qū)動(dòng)電流為43 A，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，工作導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻較低，發(fā)熱量少。同時(shí)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)IC還具有自診斷和過(guò)載保護(hù)等功能，可增加電路的可靠性。SCR控制器通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電橋橋臂的導(dǎo)通方向和時(shí)間，完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

噴嘴驅(qū)動(dòng)電路由P溝道增強(qiáng)型MOS管IRF9540構(gòu)成，該芯片具有導(dǎo)通電阻值低、工作發(fā)熱量少、開(kāi)關(guān)迅速等特點(diǎn)，最大驅(qū)動(dòng)電流為23 A，能夠滿(mǎn)足噴嘴開(kāi)啟的峰值要求。同時(shí)，為了提高控制信號(hào)的抗干擾性能和共模抑制能力，電路采用TLP-521光電耦合器進(jìn)行信號(hào)隔離。SCR控制器通過(guò)控制TLP-521元件的通斷決定IRF9540的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而對(duì)噴嘴的開(kāi)閉進(jìn)行控制。

2.3 通信模塊

SCR控制器采用串行通信方式，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)傳輸。通信協(xié)議應(yīng)用成熟的RS232標(biāo)準(zhǔn)，選用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平的轉(zhuǎn)換。

3 上位機(jī)

位機(jī)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，整體構(gòu)架主要包含串口通信、坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)繪制、參數(shù)圖形化顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊。

串口通信由串口的初始化、串口發(fā)送子函數(shù)、串口接收子函數(shù)等組成，用以實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)繪制完成圖形顯示區(qū)內(nèi)的坐標(biāo)軸和坐標(biāo)值的添加，以適應(yīng)不同范圍的參數(shù)變化。參數(shù)圖形化顯示通過(guò)繪制參數(shù)曲線(xiàn)，表示信號(hào)量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將實(shí)時(shí)參數(shù)值以特定的格式保存到指定的文件中，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。整體控制流程如圖1所示。

圖1 整體控制流程圖

3.1 串口通信模塊

利用VB中的MSComm控件實(shí)現(xiàn)串口通信功能。在窗體啟動(dòng)時(shí)，查找是否已有通信端口接入。當(dāng)有端口連接時(shí)，選擇相應(yīng)端口號(hào)，并進(jìn)行包括通信的波特率、數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)、停止和奇偶校驗(yàn)等的初始化設(shè)置，同時(shí)置位定時(shí)器使能標(biāo)志并打開(kāi)端口，進(jìn)行串行通信。在通信過(guò)程中，為了保證通信過(guò)程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)按照一定通信協(xié)議進(jìn)行傳輸。傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)由幀頭、順序號(hào)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)區(qū)、校驗(yàn)位和幀尾構(gòu)成。

3.1.1 串口發(fā)送子函數(shù)

串口發(fā)送子函數(shù)完成數(shù)據(jù)的封裝與發(fā)送。上位機(jī)需要將冷卻水閥、繼電器、尿素泵及噴嘴的控制參數(shù)發(fā)送給下位機(jī)，通過(guò)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器的調(diào)節(jié)控制，從而改變SCR系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以觀(guān)察不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)工作性能的影響。

根據(jù)通信協(xié)議按照特定格式封裝好需要發(fā)送的數(shù)據(jù)后，傳送到緩沖區(qū)中，由串口完成發(fā)送。

3.1.2 串口接收子函數(shù)

串口接收子函數(shù)完成數(shù)據(jù)的接收與處理，利用MSComm控件中的OnComm事件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)串口接收到一定字節(jié)的數(shù)據(jù)后，會(huì)觸發(fā)OnComm事件，并改變CommEvent的屬性值，程序通過(guò)Select指令選擇轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理函數(shù)。在處理函數(shù)中，會(huì)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)取出并進(jìn)行判定。經(jīng)過(guò)幀頭、序列號(hào)和校驗(yàn)位的甄別后，正確的數(shù)據(jù)才會(huì)被系統(tǒng)接收，并存入指定的接收數(shù)組中，不正確的數(shù)據(jù)則會(huì)被丟棄。

3.2 坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)繪制模塊

為了清楚地表示參數(shù)的變化規(guī)律，需要在圖形顯示化控件Picture中添加坐標(biāo)值和坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。SCR監(jiān)控系統(tǒng)顯示的參數(shù)量較多，雖然不同參數(shù)的變化范圍和單位不相同，但繪制方法基本一致。這里以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參量為例，介紹程序開(kāi)發(fā)過(guò)程。

首先在顯示控件中添加坐標(biāo)值。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性確定出轉(zhuǎn)速的變化范圍為0～5 000 r/min，由顯示控件區(qū)域的長(zhǎng)度用Scale命令計(jì)算得到坐標(biāo)軸的范圍，其中X軸表示時(shí)間，Y軸表示轉(zhuǎn)速。因圖形顯示控件只用來(lái)觀(guān)察參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，故只需確定出Y軸的坐標(biāo)值。定義Y軸坐標(biāo)間隔為1 000 r/min，間隔量Val=(5 000-0)/5，使用Line命令畫(huà)出坐標(biāo)刻度，并用Print命令輸出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值。

然后確定坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。X，Y軸的網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)畫(huà)法基本一致,下面以X軸坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行說(shuō)明。先進(jìn)行坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)類(lèi)型的選擇，再根據(jù)顯示控件邊界大小確定出網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)數(shù)量為10條，間隔距離為(邊界最大值-邊界最小值)/10。最后用Line指令完成網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)的繪制。

當(dāng)程序運(yùn)行到最大設(shè)定時(shí)間時(shí)，使用 Cls命令清除所有坐標(biāo)信息與顯示曲線(xiàn)后重新調(diào)用坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)繪制模塊，以繪制出新的坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。繪制坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)前后對(duì)比如圖2所示。

圖2 繪制坐標(biāo)前后對(duì)比示意圖

3.3 參數(shù)圖形化顯示

SCR監(jiān)控系統(tǒng)默認(rèn)全部參數(shù)信號(hào)的數(shù)值與圖形同步化顯示。當(dāng)需要取消某個(gè)參量的顯示時(shí)，單擊該變量的數(shù)值顯示標(biāo)簽后，就會(huì)進(jìn)入處理函數(shù)。在處理函數(shù)中，會(huì)對(duì)參量狀態(tài)進(jìn)行判斷，若為顯示狀態(tài)，則通過(guò)置位相應(yīng)標(biāo)志位取消可視化顯示。當(dāng)標(biāo)簽被再次點(diǎn)擊時(shí)，系統(tǒng)會(huì)激活該參量的顯示。

對(duì)于圖形化操作，由曲線(xiàn)繪制Line函數(shù)根據(jù)串口傳輸?shù)男盘?hào)參數(shù)值繪制完成，并在相應(yīng)的文本框中顯示該數(shù)值。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

為了方便對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理分析，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行有選擇的保存。該功能由軟件界面中的“開(kāi)始保存”按鍵觸發(fā)，點(diǎn)擊后進(jìn)入數(shù)據(jù)保存函數(shù)，通過(guò)標(biāo)志位的置位，在Timer定時(shí)器處理函數(shù)中按一定時(shí)間周期將數(shù)據(jù)保存到指定路徑下。

數(shù)據(jù)保存的格式為“時(shí)間節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)1，數(shù)據(jù)2……”。時(shí)間節(jié)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)保存發(fā)生的時(shí)間狀態(tài)，后面為需要保存的參數(shù)值，不同數(shù)據(jù)用逗號(hào)加以區(qū)分。封裝后的內(nèi)容通過(guò)Print #1命令保存到指定文件中。

4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

使用VB結(jié)構(gòu)化和可視化控件設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔規(guī)整，系統(tǒng)集成化程度高，通用性強(qiáng)。界面主要由菜單欄、狀態(tài)欄、圖形顯示區(qū)、數(shù)值顯示區(qū)和控制區(qū)組成[9]。由于系統(tǒng)需要監(jiān)控的參量較多，而界面空間又十分有限，因此在圖形顯示區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，將所有監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，并使用SStab控件設(shè)置三組選項(xiàng)卡，選擇顯示內(nèi)容。這樣不僅增加了界面的空間利用率，而且使界面設(shè)計(jì)更加規(guī)范完整。實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)交互界面，可以完成指令輸入、參數(shù)調(diào)節(jié)和狀態(tài)監(jiān)控等操作。上位機(jī)軟件人機(jī)交互界面如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件人機(jī)交互界面

5 MAP圖的標(biāo)定

SCR系統(tǒng)的控制參數(shù)以MAP圖形式存儲(chǔ)在控制器中，參數(shù)的匹配程度對(duì)系統(tǒng)的工作性能有很大影響，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定。將SCR監(jiān)控系統(tǒng)保存的測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，生成所需的MAP圖。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)排氣溫度較低，尿素霧化性較差，催化劑活性不高，噴入氣道的尿素溶液不但不能完全還原NOx，而且水解后生成的NH3還會(huì)排入大氣，造成污染。因此，SCR系統(tǒng)的測(cè)試轉(zhuǎn)速范圍是800～2 300 r/min，間隔100 r/min取一工況點(diǎn)。扭矩百分比設(shè)定在0～100%，間隔為10%[10]。

5.1 原機(jī)NOx排放量的MAP

原機(jī)NOx排放MAP表示未經(jīng)后處理的發(fā)動(dòng)機(jī)排放物中NOx的體積比。圖4表示測(cè)量的原機(jī)NOx排放量MAP。

圖4 原機(jī)NOx排放MAP

5.2 原機(jī)排氣溫度MAP

排氣溫度會(huì)對(duì)尿素霧化程度和SCR催化劑活性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到NOx的轉(zhuǎn)化效率，因此需要進(jìn)行標(biāo)定。圖5表示測(cè)量的原機(jī)排氣溫度MAP。

圖5 原機(jī)排氣溫度MAP

5.3 NOx轉(zhuǎn)化率的MAP

由于催化劑在不同排氣溫度和扭矩下能夠?qū)崿F(xiàn)的NOx轉(zhuǎn)化效率不同，因此需要確定不同工況下的NOx轉(zhuǎn)化率。根據(jù)SCR控制策略，測(cè)試選擇的排氣溫度范圍為200～500 ℃，間隔20 ℃取一工況點(diǎn)。扭矩比的范圍和間隔不變。

根據(jù)測(cè)得的上、下游NOx值計(jì)算可得該工況下的最大轉(zhuǎn)化率。圖6表示NOx轉(zhuǎn)化率MAP。

圖6 NOx轉(zhuǎn)化率MAP

6 結(jié)論

本文基于VB設(shè)計(jì)的柴油機(jī)SCR監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)在線(xiàn)修改、系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理保存等功能，為SCR控制系統(tǒng)的標(biāo)定和開(kāi)發(fā)提供了良好的平臺(tái)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單穩(wěn)定，參數(shù)采集顯示準(zhǔn)確可靠，人機(jī)交互界面良好。開(kāi)發(fā)時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的通用性，縮短了開(kāi)發(fā)周期。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以基本滿(mǎn)足SCR控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要求。

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Design of Diesel Engine SCR Control System Based on VB

FENG Chuan

(Department of Electrical Engineering,Binzhou University,Binzhou 256600，China)

In order to meet the requirements of SCR control system matching and calibration, the diesel engine SCR control system based on VB was designed . The system included the upper machine and lower machine. The lower machine was used to complete hardware development of the SCR controller and the circuit design was fully considered with the electromagnetic compatibility and interference problems which helped improve the stability of work. The upper machine adopted the modular design idea to realize the main functions like serial communication, graphical display and data storage with the features of flexible design and universal application. The monitoring and control system of the human-computer interaction interface was not only simple to operate, but also standard and practical. After the experimental test, the diesel engine SCR control system works stably and reliably, which can satisfy the development of basic requirements.

diesel engine ; SCR; hardware design ; monitored control system; VB

劉虎(1990—),碩士研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。E-mail:usstliuhu@souhu.com

濱州學(xué)院青年人才創(chuàng)新工程科研基金項(xiàng)目(BZXYQNLG201403)

2015-01-13 收修改稿日期：2015-07-20

TK427

A

1002-1841(2015)10-0064-03